第5课 基本的数字调制系统(1)

1、第第5课课 基本的数字调制系统基本的数字调制系统 （1）调制的相关概念）调制的相关概念 （2）调制的功能）调制的功能 （3） 二进制数字幅度调制二进制数字幅度调制(2ASK) （4） 二进制数字频率调制二进制数字频率调制(2FSK) （5） 二进制数字绝对相位调制二进制数字绝对相位调制(2PSK) （6） 二进制数字相对相位调制二进制数字相对相位调制(2DPSK) （7）二进制数字调制技术的比较）二进制数字调制技术的比较 （8） 多进制数字调制多进制数字调制 数字信号有两种传输方式，一种是前面讨论的基数字信号有两种传输方式，一种是前面讨论的基 带传输方式，另一种就是本章要介绍的调制传输带传输方

2、式，另一种就是本章要介绍的调制传输 或称为频带传输。或称为频带传输。 1 调制相关概念调制相关概念 1 调制相关概念调制相关概念 为什么需要进行调制为什么需要进行调制? 因为任何特定的信道都有一个与其相关的频率范因为任何特定的信道都有一个与其相关的频率范 围，若某类信号的频带在这个范围内，则适合传围，若某类信号的频带在这个范围内，则适合传 输，而如果是在该范围外，通信将严重受阻，甚输，而如果是在该范围外，通信将严重受阻，甚 至不可能实现。至不可能实现。 比如：无线通信的频段是比如：无线通信的频段是800MHZ至至900MHZ， 而我们的语音是而我们的语音是300HZ至至3.4kHZ，因此，语音

3、，因此，语音 信号无法直接在无线信道中传。信号无法直接在无线信道中传。 要想在无线信道中传输语音信号必须要先进行调要想在无线信道中传输语音信号必须要先进行调 制。即通过处理将这些信号嵌入另一较高频率的制。即通过处理将这些信号嵌入另一较高频率的 信号中去。信号中去。 在通信系统中实际使用的信道多为带通型，例在通信系统中实际使用的信道多为带通型，例 如各个频段的无线信道。而我们知道数字基带如各个频段的无线信道。而我们知道数字基带 信号往往具有丰富的低频成分，只适合在低通信号往往具有丰富的低频成分，只适合在低通 型信道中传输（比如双绞线），为了使数字信型信道中传输（比如双绞线），为了使数字信 号能在

4、带通信道中传输，必须采用数字调制，号能在带通信道中传输，必须采用数字调制， 把低频信号把低频信号“变变”成高频信号。成高频信号。 1 调制相关概念调制相关概念 将输入的基带信号变换为适合于信道传输的频带将输入的基带信号变换为适合于信道传输的频带 信号形式，这个变换过程称为信号形式，这个变换过程称为调制调制。调制是一种。调制是一种 信号处理技术，本质是进行频谱变换，把携带有信号处理技术，本质是进行频谱变换，把携带有 用信息的基带信号的频率从低频范围搬移到高频用信息的基带信号的频率从低频范围搬移到高频 范围。范围。 在数字调制中则可用载波信号参量的某些离散状在数字调制中则可用载波信号参量的某些离散

5、状 态态(高频载波的振幅、频率、相位高频载波的振幅、频率、相位)来表征所传输来表征所传输 的信息，在接收端也只要对载波信号的调制参量的信息，在接收端也只要对载波信号的调制参量 有限个离散值进行判决，以便恢复出原始信号。有限个离散值进行判决，以便恢复出原始信号。 1 调制相关概念调制相关概念 1 调制相关概念调制相关概念 调制即是用基带信号控制高频载波的振幅、频率、调制即是用基带信号控制高频载波的振幅、频率、 或者相位，使高频载波的振幅、频率、相位随着或者相位，使高频载波的振幅、频率、相位随着 基带信号的变化而变化。基带信号的变化而变化。 根据所控制的参量的不同，调制方法可分为振幅根据所控制的参

6、量的不同，调制方法可分为振幅 调制、频率调制、相位调制。调制、频率调制、相位调制。 解调解调是调制的反过程，是将是调制的反过程，是将 基带信号从已调波基带信号从已调波 上搬移下来的过程或方式。在实际的通信系统中，上搬移下来的过程或方式。在实际的通信系统中， 调制和解调总是成对出现的。把它们合起来称为调制和解调总是成对出现的。把它们合起来称为 调制系统。调制系统。 我们把包括调制和解调过程的传输系统叫做数字我们把包括调制和解调过程的传输系统叫做数字 信号的频带传输系统。信号的频带传输系统。 1 调制相关概念调制相关概念 1 调制相关概念调制相关概念 原始数字 序列 基带信 号 形 成 器 an

7、s(t) 键控器 载波信 号 数字调制 信号 信 道 噪 声 接 收 滤波器 解调器 )( t s 由图可见，原始数字序列经基带信号形成器后变成适合于信道由图可见，原始数字序列经基带信号形成器后变成适合于信道 传输的基带信号传输的基带信号s(t)，然后送到键控器来控制载波的振幅、频率，然后送到键控器来控制载波的振幅、频率 或相位，或相位， 形成数字调制信号，并送至信道。形成数字调制信号，并送至信道。 在信道中传输的还在信道中传输的还 有各种干扰。接收滤波器把叠加在干扰和噪声中的有用信号提有各种干扰。接收滤波器把叠加在干扰和噪声中的有用信号提 取出来，并经过相应的解调器，恢复出数字基带信号、数字

8、序取出来，并经过相应的解调器，恢复出数字基带信号、数字序 列。列。 2 调制的功能调制的功能 除了前面介绍的基本功能外，调制还有以下功能：除了前面介绍的基本功能外，调制还有以下功能： （1）可以方便发射。在利用无线信道进行通信时，发）可以方便发射。在利用无线信道进行通信时，发 射信号的波长与发射天线的长度尺寸应该匹配，发射信射信号的波长与发射天线的长度尺寸应该匹配，发射信 号才可以通过天线有效地发射出去。通常认为天线尺寸号才可以通过天线有效地发射出去。通常认为天线尺寸 应该大于波长的应该大于波长的10分之分之1（波长（波长=光速光速/频率）。例如电话频率）。例如电话 语音信号的频率范围只有语音

9、信号的频率范围只有300至至3400，其最小波长大约，其最小波长大约 为为100公里，对于电话语音信号，要想直接利用天线发公里，对于电话语音信号，要想直接利用天线发 射信号，其天线尺寸要达到射信号，其天线尺寸要达到10公里，同时接收天线也要公里，同时接收天线也要 与信号波长进行匹配，显然，这是不可能的。如果对语与信号波长进行匹配，显然，这是不可能的。如果对语 音信号进行调制，提高发射信号的载波频率，则天线尺音信号进行调制，提高发射信号的载波频率，则天线尺 寸将大大减少。方便发射和接收。寸将大大减少。方便发射和接收。 2 调制的功能调制的功能 （2）可以实现多路复用。多路复用是将多路信）可以实现

10、多路复用。多路复用是将多路信 号在号在 同一个物理信道中互不干扰的进行传输的同一个物理信道中互不干扰的进行传输的 一种通信方式。例如电话语音信号，一个物理信一种通信方式。例如电话语音信号，一个物理信 道只能通过一路语音信号，如果多于一路，则各道只能通过一路语音信号，如果多于一路，则各 语音信号之间会互相干扰，导致通信无法进行。语音信号之间会互相干扰，导致通信无法进行。 但采用调制技术可以将不同的语音信号调制到不但采用调制技术可以将不同的语音信号调制到不 同的频率范围上，各个频率范围互不重叠，被称同的频率范围上，各个频率范围互不重叠，被称 为频道；然后将位于不同的频道的频带信号混合，为频道；然后

11、将位于不同的频道的频带信号混合， 通过同一个物理信道进行传输。在接收端将混合通过同一个物理信道进行传输。在接收端将混合 的多路频带信号分别通过不同的滤波器将各频带的多路频带信号分别通过不同的滤波器将各频带 信号分离出来并进行解调。这种技术称为频分复信号分离出来并进行解调。这种技术称为频分复 用。用。 2 调制的功能调制的功能 比如无线电广播，各个广播电台将各自的广播节比如无线电广播，各个广播电台将各自的广播节 目调制到不同频率的载波上发送出去供听众接收。目调制到不同频率的载波上发送出去供听众接收。 听众通过旋转调台按钮改变收音机内的带通滤波听众通过旋转调台按钮改变收音机内的带通滤波 器的中心频

12、率，当中心频率与广播节目的载频相器的中心频率，当中心频率与广播节目的载频相 同时，就可以将该节目选择出来，再经过处理可同时，就可以将该节目选择出来，再经过处理可 转成声音信号播放出来。类似原理的还有有线电转成声音信号播放出来。类似原理的还有有线电 视系统。视系统。 某广播电台某广播电台 交通台交通台 调频调频 102.6 MHz 声音如何传输到声音如何传输到 收音机呢？收音机呢？ 在发送端和接受在发送端和接受 端如何处理？端如何处理？ 2 调制的功能调制的功能 （3）调制可以减少噪声和干扰。通过不同的调）调制可以减少噪声和干扰。通过不同的调 制方式可以抑制噪声和干扰。例如信道噪声通常制方式可以

13、抑制噪声和干扰。例如信道噪声通常 是加性噪声，对数字频带信号的幅度有较大影响，是加性噪声，对数字频带信号的幅度有较大影响， 如果采用频率调制方式，将数字基带信号幅度的如果采用频率调制方式，将数字基带信号幅度的 变化转为数字频带信号频率的变化，则可以大大变化转为数字频带信号频率的变化，则可以大大 降低信道噪声和干扰的影响。降低信道噪声和干扰的影响。 数字调制所用的载波一般是连续的正弦型信号。数字调制所用的载波一般是连续的正弦型信号。 理论上讲，载波形式可以是任意的（如三角波、理论上讲，载波形式可以是任意的（如三角波、 方波等），只要适合在信道中传输即可。之所以方波等），只要适合在信道中传输即可。

14、之所以 在实际通信中多选用正弦型信号，是因为它具有在实际通信中多选用正弦型信号，是因为它具有 形式简单、便于产生和接收等特点。与模拟调制形式简单、便于产生和接收等特点。与模拟调制 中的幅度调制、频率调制和相位调制相对应，数中的幅度调制、频率调制和相位调制相对应，数 字调制也分为三种基本方式：幅移键控（字调制也分为三种基本方式：幅移键控（ASK）、）、 频移键控（频移键控（FSK）和相移键控（）和相移键控（PSK）。）。 3 二进制数字幅度调制二进制数字幅度调制 2ASK的基本原理是利用代表数字信息的基本原理是利用代表数字信息“0”或或“1” 的基带矩形脉冲去控制一个连续的载波，使载波的基带矩形

15、脉冲去控制一个连续的载波，使载波 时断时续地输出。有载波输出时表示发送时断时续地输出。有载波输出时表示发送“1”， 无载波输出时表示发送无载波输出时表示发送“0” 2ASK振幅键控信号可以采用两种方式产生振幅键控信号可以采用两种方式产生：（：（1） 直接相乘法（直接相乘法（2）键控法。）键控法。 2ASK基本原理基本原理 数字振幅调制又称为幅移键控（数字振幅调制又称为幅移键控（ASK），二进制），二进制 振幅键控记作振幅键控记作2ASK。 3 二进制数字幅度调制二进制数字幅度调制 ttstsASK c cos)()( 从上图不难看出 单极性不归零信号 为注意此处)(ts sn Sn表示待传送的

16、数字序列；表示待传送的数字序列； S(t)表示基带信号表示基带信号 表示高频载波表示高频载波 SASK(t)称为已调信号称为已调信号 t c cos 3 二进制数字幅度调制二进制数字幅度调制 （1）相乘法）相乘法 ttstS cASK cos)()( 2 基带信号 形 成 器 相乘器 带 通 滤波器 s(t)e(t) 2ASK 信号 an cos ct 3 二进制数字幅度调制二进制数字幅度调制 （2）键控法（用数字开关控制载波的通断）键控法（用数字开关控制载波的通断） 用基带信号用基带信号s(t)去控制开关，当输入信号为去控制开关，当输入信号为1时，时， 开关接通载波信号，允许载波信号通过；当

17、输入开关接通载波信号，允许载波信号通过；当输入 信号为信号为0时，开关断开，输出端没有信号输出。时，开关断开，输出端没有信号输出。 3 二进制数字幅度调制二进制数字幅度调制 问题：接收端收到已调信号后，怎样恢复出调制信号问题：接收端收到已调信号后，怎样恢复出调制信号 （原始数字基带信号）呢？（原始数字基带信号）呢？ 回答：回答：要进行解调。要进行解调。 2ASK幅移键控信号的解调方法有两种：幅移键控信号的解调方法有两种： 包络解调法（非相干解调法）包络解调法（非相干解调法） 相干解调法相干解调法 3 二进制数字幅度调制二进制数字幅度调制 （1）包络解调法）包络解调法 a a b b c c d

18、 d 带通带通 滤波器滤波器 全波全波 整流器整流器 包络包络 检波器检波器 低通低通 滤波器滤波器 抽样抽样 判决器判决器输出输出 定时脉冲定时脉冲 S2ASK(t)abcd 3 二进制数字幅度调制二进制数字幅度调制 带通滤波器滤除传输过程中加入的频带以外的噪带通滤波器滤除传输过程中加入的频带以外的噪 声干扰；整流器使信号变为单极性信号；包络检声干扰；整流器使信号变为单极性信号；包络检 波器检出信号的包络；低通滤波器滤除包络信号波器检出信号的包络；低通滤波器滤除包络信号 中的高频成分，得到平滑的包络信号；抽样判决中的高频成分，得到平滑的包络信号；抽样判决 器在抽样脉冲的控制下对包络信号进行抽

19、样判决，器在抽样脉冲的控制下对包络信号进行抽样判决， 再生数字序列再生数字序列sk 3 二进制数字幅度调制二进制数字幅度调制 相干解调法的原理如下：已调信号可以表示为调制相干解调法的原理如下：已调信号可以表示为调制 信号与载波信号的乘积，即：信号与载波信号的乘积，即： 如果在接收端将已调信号与载波信号相乘，则有：如果在接收端将已调信号与载波信号相乘，则有： 第第1项是数字基带信号，第项是数字基带信号，第2项是高频信号，通过低项是高频信号，通过低 通滤波器可以滤除第通滤波器可以滤除第2项。从而得到原信号项。从而得到原信号s(t) ttsts cm cos)()( 2/2cos)(2/ )(cos

20、)(ttststts ccm （2）相干解调法）相干解调法 3 二进制数字幅度调制二进制数字幅度调制 相干解调需要在接收端产生一个与发送端的发送相干解调需要在接收端产生一个与发送端的发送 载波一样的本地载波，造成接收端设备复杂，因载波一样的本地载波，造成接收端设备复杂，因 此在此在2ASK系统中很少使用。而包络检波器的实系统中很少使用。而包络检波器的实 现则比较简单，得到了广泛的应用。现则比较简单，得到了广泛的应用。 4 二进制数字频率调制二进制数字频率调制 2FSK的基本原理是使用代表二进制数字序列的数的基本原理是使用代表二进制数字序列的数 字基带信号去控制高频载波的频率变化。二进制字基带信

21、号去控制高频载波的频率变化。二进制 数字序列只有数字序列只有1和和0两种状态，两种状态，1使用频率为使用频率为f1的载的载 波表示，波表示，0使用频率为使用频率为f2的载波表示。的载波表示。 2FSK频移键控信号可以采用两种方式产生频移键控信号可以采用两种方式产生：（：（1） 直接调频法（不讲）（直接调频法（不讲）（2）键控法。）键控法。 数字频率调制又称为频移键控（数字频率调制又称为频移键控（FSK），二进制），二进制 频移键控记作频移键控记作2FSK。 4 二进制数字频率调制二进制数字频率调制 键控法键控法 使用数字基带信号控制电子开关在两个载波发生器使用数字基带信号控制电子开关在两个载波

22、发生器 之间进行切换之间进行切换 载波发生器1电子开关1 电子开关2载波发生器2 相加器 倒相器 s(t) c1(t) c2(t) s2FSK(t) 4 二进制数字频率调制二进制数字频率调制 原始信息原始信息 t t t 2ASK 2FSK 100101 4 二进制数字频率调制二进制数字频率调制 t2FSK 可分可分 解成解成 t t 可见可见2FSK 可看作是可看作是2 个个2ASK信信 号之和号之和 4 二进制数字频率调制二进制数字频率调制 2FSK的解调的解调 同步检测法（相干解调法）同步检测法（相干解调法） 包络解调法（非相干解调法）、包络解调法（非相干解调法）、 过零检测法过零检测法

23、 4 二进制数字频率调制二进制数字频率调制 因为因为2FSK信号可以看作是两个载波频率不同的信号可以看作是两个载波频率不同的 2ASK信号的叠加，所以它的解调可以利用两个信号的叠加，所以它的解调可以利用两个 中心频率分别为中心频率分别为f1和和f2的带宽滤波器滤出两路的带宽滤波器滤出两路 2ASK 信号，再将两路信号，再将两路2ASK信号通过包络检波信号通过包络检波 器和抽样判决器来实现。该解调方法经常采用。器和抽样判决器来实现。该解调方法经常采用。 （1）包络解调法）包络解调法 4 二进制数字频率调制二进制数字频率调制 带 通 滤波 器 包 络 检波器 带 通 滤波 器 包 络 检波器 yi

24、(t) 抽 样 判别器 输入 2 1 y1(t) y2(t)v2(t) v1(t) 抽样脉 冲 输出 )(t s 1110 t t t t t t t )(t s 取样脉 冲 v2(t) v1(t) y2(t) y1(t) yi(t) (a) (b) 4 二进制数字频率调制二进制数字频率调制 设频率设频率f1代表数字信号代表数字信号“1”； f2代表数字信号代表数字信号“0”，则，则 抽样判决器的判决准则应为抽样判决器的判决准则应为 2 1 21 式中式中, v1,v2分别为抽样时刻两个包络检波器的输出值。分别为抽样时刻两个包络检波器的输出值。 这里这里 的抽样判决器，的抽样判决器， 要比较要

25、比较v1, v2的大小，或者说把差值的大小，或者说把差值v1-v2与与 零电平比较。因此，有时称这种比较判决器的判决门限为零零电平比较。因此，有时称这种比较判决器的判决门限为零 电平。电平。 4 二进制数字频率调制二进制数字频率调制 因为因为2FSK信号可以看作是两个载波频率不同的信号可以看作是两个载波频率不同的 2ASK信号的叠加，所以它的解调可以利用两个中信号的叠加，所以它的解调可以利用两个中 心频率分别为心频率分别为f1和和f2的带通滤波器滤出两路的带通滤波器滤出两路2ASK 信号，再将两路信号，再将两路2ASK信号分别与相应的相干载波信号分别与相应的相干载波 相乘，然后通过低通滤波器和

26、抽样判决器来生成基相乘，然后通过低通滤波器和抽样判决器来生成基 带数字信号。带数字信号。 （2）相干解调法（同步检测法）相干解调法（同步检测法） 4 二进制数字频率调制二进制数字频率调制 过零检测法是通过计算过零检测法是通过计算2FSK信号经过零点的数目信号经过零点的数目 的多少来解调出基带数字信号的。在基带数字信的多少来解调出基带数字信号的。在基带数字信 号的一个周期内，两种载波由于频率不一样，通号的一个周期内，两种载波由于频率不一样，通 过零点的次数是不同的。过零点的次数是不同的。 过零检测法设备比较简单，是一样常用的频率键过零检测法设备比较简单，是一样常用的频率键 控解调方法。控解调方法

27、。 （3）过零检测法）过零检测法 e e图中的脉冲越密，图中的脉冲越密， 代表输入信号的代表输入信号的 频率越高频率越高 带通滤波器限幅器微分器 低通滤波器 采样判决器定时脉冲 S (t) 整流器 脉冲展宽 S2FSK(t) ab cd e f 5 二进制数字相位调制二进制数字相位调制 数字相位调制又称为相移键控，是用数字基带信数字相位调制又称为相移键控，是用数字基带信 号去控制载波的相位，使载波信号的相位随基带号去控制载波的相位，使载波信号的相位随基带 信号的变化而变化。它有两种形式：绝对相移信号的变化而变化。它有两种形式：绝对相移 PSK，和相对相移，和相对相移DPSK 。 二进制绝对相移

28、记为二进制绝对相移记为2PSK,二进制相对相移记为二进制相对相移记为 2DPSK 。 5 二进制数字相位调制二进制数字相位调制 二进制绝对相移（二进制绝对相移（2PSK）是利用载波的相位偏）是利用载波的相位偏 移来区分不同的数据信息，例如：规定已调载波移来区分不同的数据信息，例如：规定已调载波 与未调载波同相表示与未调载波同相表示“0”，已调载波与未调载波，已调载波与未调载波 反相（即相差反相（即相差相位）表示相位）表示“1”。 5.1 二进制绝对相移二进制绝对相移2PSK 2PSK波形波形 )cos()( 2ncPSK tts 原始信息原始信息 t t2PSK t载波载波 011001 n n 码时 码时 1 00 5.1 二进制绝对相移二进制绝对相移2PSK 2PSK2PSK信号可以采用两